Wofür brauchen wir überhaupt Batteriemodelle? Für mich das Prinzipielle bei Batteriemodellen ist, dass wir sie einsetzen, um ein besseres Verständnis für Batterien zu erzeugen

und dann, wenn wir ein Verständnis haben, das dann auch zu überprüfen. Und das können wir einsetzen, um die vorhandenen Batterien zu verbessern.

Vorhandene Batterien sind vor allen Dingen Lithium-Ionen-Batterien, also die Batterien, die jetzt überall eingesetzt werden. Und die wollen wir besser machen und vor allen Dingen besser an die Anwendung anpassen. Wir entwickeln auch neue Batteriematerialien und Batteriedesigns, vor allen Dingen für Ressourcen schonende Batterien der Zukunft.

Und ein ganz wichtiges Selbstspüren ist die Vorhersage der Batteriealterung. Was relativ einfach zu erzeugen ist und zu überprüfen ist, ist ein Modell, das beschreibt, wie man so eine Batterie lädt und entlädt. Das ist eine relativ kurze Zeitskala und sehr schwierig wird es,

wenn man die Batteriealterung vorhersagen möchte. Und damit auch besonders wichtig, möchte ich so ein Elektroauto 20 Jahre fahren und eine Batteriealterung in so einem Selbstspüren. Über diese Aspekte möchte ich Ihnen jetzt ein wenig berichten in meinem Vortrag.

Also, ich habe mir überlegt, wie kann ich Ihnen die Batteriesimulation darlegen, erklären und habe mir überlegt, wie habe ich verstanden,

wie Batteriesimulation funktioniert. Und da habe ich mir meine eigene Geschichte erinnert. Und die Geschichte, an die ich mich erinnern kann, fängt hier im Kindergarten, der Selbstspüren. Da unterfordere ich Sie, das weiß ich, aber wir enden zum Schluss jenseits der Universität.

Das heißt, es ist immer gut, vorne anzufangen. Bevor man eine Batteriesimulation erstellt, muss man ein Modell der Batterie haben oder auch eine Theorie der elektrochemischen Prozesse, eine Theorie der Batterie. Und was ist die Theorie der Batterie im Kindergarten? Die kann man im Kindergarten selbst spüren.

Batterien sind gut, die speichern Energie und damit kann man etwas machen. Und das, was man damit machen kann, das kann man anfassen. Das kann ich in meinem jüngsten erklären. Zum Beispiel in Hörgeräte kann man Batterien einsetzen und tut man auch.

Und die Energie in so einem Hörgerät, in so einer Batterie im Hörgerät, das normalerweise eine Watt selbst spüren. Natürlich hat auch fast jeder heutzutage ein Smartphone. Und im Smartphone auch eine Batterie, die sieht ein bisschen anders aus,

funktioniert aber manchmal relativ ähnlich und die hat ungefähr 10 Wattstunden Energie. Hier ist ein Fahrrad, ich habe sozusagen ein Württembergisches Fahrrad ausgewählt. Das hat 1000 Wattstunden an Energie in der Batterie gespeichert, die man selbst spüren kann.

Wenn Sie zu Hause nur Solaranlage haben und den Strom auch in der Nacht nutzen möchten oder am Abend, dann haben Sie so eine Batterie, zumindest viele haben das mittlerweile. So eine Batterie hat manchmal 5000 Wattstunden und manchmal 10.000 Wattstunden, kann sogar noch größer sein.

Wenn man sich dann Elektroautos anguckt, kann ich mir selbst spüren, welches Elektroauto ausgesucht. Das muss man zugeben, das ist eines der besonders großen und das hat 100.000 Wattstunden.

Das hier in dieser Größe, das ist ein Batteriekraftwerk quasi, das steht neben einem Solarkraftwerk in Kalifornien. Sowas Großes gibt es hier in Deutschland noch nicht. In Kalifornien scheint ja wirklich an fast jedem Tag die Sonne und wenn man da selbst spürt, eine so große Batterie hinzumacht,

da braucht man gar keine Förderung mehr und das lohnt sich einfach finanziell für die, weil die damit über den ganzen Tag konstant den gleichen Strom liefern können. Das sind dann eine Million Wattstunden, die da gespeichert werden in dieser Batterie, in diesen Containern, die man hier sieht.

So weit zum Kindergarten, also im Kindergarten haben wir gelernt, es gibt viele Anwendungen und diese Lithium-Ionen-Batterie, die geht über sechs Größenordnungen in der Energiemenge, die man speicheln kann und funktioniert da. Der nächste Schritt ist, was man da schaut, in der Grundschule und da selbst spüren.

Ich selbst noch einen ganz tollen Versuch mit so einer Batterie, da kann man dann die aufklappen. Da haben wir Stromkreisläufe damit gebastelt, aber was wir auch gemacht haben ist, zwischen diese beiden Metalle die Zunge gehalten und dann pritzelt das so schön, da fließt Strom.

Das heißt, wir lernen, die Energie, die hier rauskommt, das ist Strom und das kann man sogar selbst spüren. Und dann kann man das nutzen, um vernünftige Dinge zu machen, Stromkreise aufbauen,

das wissen Sie bestimmt alles und dann leuchtet die Lampe, ich halte auf und zu. Und das funktioniert sehr gut mit einer Batterie. Ein bisschen weiter abstrahieren und sagen, was ist das Besondere an der Batterie im Vergleich zu anderen Energiespeichern?

Batterien wandern elektrische in chemische Energie um. Wir geben beim Aufladen zum Beispiel elektrische Batterie, Strom, elektrische Energie, Strom in die Batterie hinein. Und in der Batterie wird diese elektrische Energie umgewandelt in chemische Energie ein.

Die Batterie selbst, die Batterieeinheit selbst ist auch der eigentliche Speicher, ein chemischer Speicher. Wenn die Batterie geladen ist, dann liegt die Energie in chemischer Form vor. Wenn wir die Batterie wieder entladen, dann wird diese chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt

und kommt diese elektrische Energie als Strom heraus. Also der chemische Speicher ist in der Batterie selbst drin und die Umwandlungseinheit ist auch integriert, alles integriert in einem System und das ist die wieder aufladbare Batterie.

So, soweit zur Grundschule. Jetzt wird es ein bisschen schwieriger. Jetzt kommen die ersten Formeln. Im Gymnasium, was haben wir da gelernt? Da haben wir gelernt, aber ich merke aus dem Publikum, Sie erinnern sich ein bisschen.

Nee, aber man nimmt hier so ein Wassereimer und in dem Wasser löst man einen Salz. Hier ist das Kupfersophat, Zinksofat, Salz, das kann auch Natriumchlorid sein oder so, also Kochsalz.

Also ein Wasserbad mit Salz und dann hält man zwei alle hinein. Im Gymnasium haben wir da tatsächlich so richtig Metallstäbe oder Metallblöcke reingehalten, die man richtig anfassen kann und sehen kann.

Und was passiert jetzt in dieser Batterie? In dieser Batterie gibt es zwei Reaktionen, an jeder Elektrode eine Reaktion. Der Trick ist, dass hier an diesen beiden Elektroden die chemische Energie gespeichert wird

und die Energie sich nicht spontan entladen kann, weil wir hier eine Ladungstrennung haben. In dieser Lösung, in diesem Wasser, was man Elektrolyt nennt, da können sich nur Ionen bewegen.

Außen drum herum können sich nur Elektronen bewegen. Das ist ganz praktisch, weil da Atomen aufgebaut sind und Atome bestehen aus einem Atomkern. Drum herum sind Elektronen, so wie so ein Planetensystem. Und wenn man ein Elektron wegnimmt von diesen Atomen, dann nennt man das Ion, das ist dann geladen.

Das heißt, eigentlich gehören Elektronen und Ionen zusammen. Dann wollen sie noch zusammen sein, kommen aber nicht zusammen hier rüber. Dann müssen die Ionen durch den Elektrolyten und die Elektronen außen rum. Das ist ganz praktisch, weil damit kann man das System kontrollieren.

Man kann nämlich hier oben den Schalter aufmachen, dann können die Elektronen hier oben nicht rum. Und wenn die Elektronen nicht rüberkommen, dann möchten die Ionen auch nicht durch. Oder man macht es andersrum, man macht hier oben zu, dann können die Elektronen hier oben durch. Dann folgen die Ionen durch den Elektrolyten.

Oder man möchte so eine Batterie aufladen, dann muss man die Elektronen hier über den äußeren Stromkreis, sozusagen stromabwärts treiben, indem man eine Spannung anlegt und damit elektrische Energie reingibt. Und dann folgen die Ionen hier in den Elektrolyten. So funktioniert im Prinzip eine Batterie, also mit zwei Elektroden.

Und die speichern diese Energie. Und jetzt habe ich mich mal getraut, Ihnen eine Formel zu erklären. Es sind vielleicht ein paar Ingenieure da, die elektrochemisch, die werden diese Formel selbst fürs Weiterverständnis nicht benötigen vom Vortrag,

aber vielleicht ganz nett für einige zu handeln. Die relevante Größe, um die Energie in so einer Batterie zu beschreiben, das bezeichne ich hier mal als Delta G, das nenne ich elektrochemisches Potenzial,

potenzielle Energie, das ist die elektrochemische Energie. Und jetzt habe ich eben schon motiviert, wir haben die elektrische Energie und die chemische Energie hier. Die haben diese beiden Symbole. Delta G ist hier die chemische Energie, chemisches Potenzial,

und die elektrische Energie ist dieses U0, U steht für Spannung. Das ist die Spannung, die man auch spürt, wenn man in die Steckdose greift, diese U0-Spannung. Und deshalb ist es so relativ trivial, dass die elektrochemische Energie in der Batterie,

die setzt sich zusammen aus einer chemischen Energie und einer elektrischen Energie. Einfach mit Plus. Wir wissen jetzt zum Beispiel eine ganz besondere Situation, wenn kein Strom fließt, dann ist die Energieänderung, die ist deshalb Delta, die ist Null.

Und dann sieht man sofort, die Spannung ist gegeben durch Delta G, durch die chemische Energie. Das sagt einem die chemische Energiedifferenz zwischen den beiden Elektroden,

die macht die Spannung aus. Wenn man zwei möglichst unterschiedliche Elektroden hat, dann hat man eine große Spannung und kann damit viel Energie speichern. Deshalb, das nennt man auch in der Chemie im Gymnasium,

haben die Elektrochemiker so eine Tabelle aufgebaut. Die haben ganz viele Elektroden vermessen und diese Zahlen gelten streng genommen so auch nur in Wasser. Es gibt auch noch andere nicht wässrige Elektrolyte. Diese Tabelle gilt jetzt für Wasser.

Man möchte eine möglichst hohe Differenz haben zwischen diesen Energiewerten, diesen Spannungswerten. Anseite, das ist ganz interessant, weil wenn wir mal hier nach hier unten gucken, bei den negativen Spannungen, da sehen wir die Metalle.

Metalle haben eine ziemlich negative Spannung und ganz da unten ist Lithium. Das ist der wesentliche Grund, warum Lithium-Ionenbatterien so viel Energie liefern, weil Lithium ganz da unten ist.

Auf der anderen Seite sieht man hier immer Sauerstoff. Das für Allgemeinheit sieht man eigentlich da Oxide, also Metalle mit Sauerstoff zusammen. Das ist auch nicht verwunderlich.

Das ist ein Effekt, den man hier sieht, den wir auch im Alltag immer erleben. Wenn wir irgendein Metall irgendwo haben und uns nicht weiter darum kümmern, dann fängt es an zu rosten. Das bedeutet, es bildet einen Oxid. Das heißt, das Metall möchte eigentlich nicht als reines Metall vorliegen.

Lithium zum Beispiel möchte nicht als Lithiumblock vorliegen, sondern möchte rosten und Lithiumoxid werden. Das ist das, was wir uns in der Batterie zur Nutze machen. Jetzt zeige ich Ihnen den Aufbau einer Lithium-Ionenbatterie.

Das habe ich selbst nicht im Gymnasium gelernt, aber ich gehe davon aus, heutzutage lernt man das schon, zumindest im Leistungskurs Chemie. Wir haben hier wieder diese beiden Elektroden. Hier auf der einen Seite links eine Elektrode, auf der rechten Seite eine Kathode.

Die Elektrode ist C6, Kohlenstoff. Das ist Grafit. Das besteht aus Schichten, Ebenen, die gestapelt sind. Zwischen diese Ebenen kann das Lithium hineingehen.

Dieser Lithium im Grafitzustand ist sehr ähnlich tatsächlich zu einem metallischen Lithium. Das ist ein Zustand, in dem das Lithium nicht sein möchte. Auf der anderen Seite haben wir ein Metalloxid. Das Standardmaterial ist Lithium-Kobardoxid, aber es gibt bei Lithium-Ionenbatterien heute sehr viele Variationen.

In Autos wird das zum Beispiel nicht mehr verwendet, in Handys aber wohl schon noch. Aber es ist auf jeden Fall das Ausgangsmaterial, mit dem man angefangen hat vor 30 Jahren. Und Oxide haben wir eben gelernt. Das ist ja das, wo das Lithium hin möchte. Das ist ein energetisch ziemlich niedriger Zustand. Und wenn man jetzt hier oben den Stromkreis schließt,

dann geht das Lithium von diesem hohen Energiezustand, rollt es quasi runter. Ah, okay. Ja, das ist ein Taipo.

Ja, das stimmt. Ja, das ist ein Taipo. Lithium-Kobardoxid. Ja, ja, ja, ja, ja. Daher kommt das große Kobalt-Thema.

Aber man kann das, was ihr seht, das Kobalt auch durch Mangan und Nickel ersetzen. Soweit also zur Lithium-Ion-Batterie am Gymnasium. Und jetzt, das ist die Universität Ulm, bei der ich bin.

Jetzt geht es zur Universität. Und jetzt sage ich Ihnen, die Batterie sieht in Wirklichkeit nicht so aus, wie man das im Gymnasium macht im Versuch, sondern so. Der Hauptunterschied ist, ich habe Ihnen vorhin erzählt, diesen Wassertruck, diesen großen Wassertruck und diese Metallstäbe, die man da reinhält.

Die Bleibatterie, die Bleisäure-Batterie im Auto ist da noch ungefähr so. Aber die Lithium-Batterie, die hat ein Problem. Die funktioniert nämlich nicht mit Wasser, sondern mit einer anderen Flüssigkeit, mit Kohlenstoff-basierten Flüssigkeiten.

Und die muss man benutzen, weil Lithium nicht mit Wasser kompatibel ist. Wenn man Lithium im Wasser hält, dann fängt das sofort an zu blubbern und explodiert quasi. Und diese anderen Flüssigkeiten haben aber den Nachteil, dass die Leitfähigkeit nicht so hoch ist. Die Ionen kommen da nicht so schnell durch.

Und was muss man machen, um das Problem zu lösen? Man muss die Batterie kleiner machen. Die ganze Batterie hier, alles eigentlich kleiner zusammen machen. Und so, wie es hier dargestellt ist, ist es tatsächlich noch ein bisschen irreführend.

Von da bis da ist es kleiner als ein menschliches Haar. Es ist eigentlich ein Film. Ein Film, den man aufwickeln kann oder falten kann. So dünn muss das Ganze sein. Und die eigentliche Reaktion, die Reaktion, wo elektrische Energie und chemische Energie umgewandelt wird,

die passiert hier an den Grenzen zwischen dem festen Elektronenmaterial und dem Elektrolyterflüssigkeit. Man möchte möglichst schnelle Reaktionen haben und deshalb möchte man möglichst viel Oberfläche haben.

Das ist der Grund, warum man so poröse Batterien baut. Die sind so wie ein Schwamm. Und da kann der Elektrolyt eindringen in die Elektrode. Und man hat ganz viel Oberfläche für die Reaktion. So, das ist die Batterie.

Jetzt kann man da weitergehen. Und ich habe Ihnen eben die Theorie aufgezeigt, wie wir die Spannung der Batterie ausrechnen können, indem wir uns überlegen, da ist eigentlich elektrische Energie und chemische Energie.

Und damit kann man schon Formeln herleiten, die dann wirklich ganz echt die Spannung vorhersagen und einem ableiten lassen, dass eine Lithiumbatterie eine gute Idee ist. Das kann man jetzt noch ein wenig komplizierter machen. Und man kann nicht nur elektrische und chemische Energie mitnehmen, sondern auch noch andere Energieformen.

Die elektrische Energie ist hier. E ist das sogenannte elektrische Feld. Wir haben auch mechanische Energie, weil da bewegt sich auch was in der Batterie.

Wenn da Lithium in so eine Elektrode reingeht, dann wird die Elektrode ein bisschen größer. Da bewegt sich was. Jetzt muss man mechanische Energie mitnehmen. Das ist so eine Art von chemischer Energie, die guckt, was von welchem Material wir hier in der Batterie haben.

Und unsere Art der Modellierung der Batterie beginnt jetzt von so einer Energie, die die verschiedenen Effekte, die chemischen Effekte, die elektrischen Effekte und auch die mechanischen Effekte verbindet.

Wenn wir dann so eine Energie nehmen und die ableiten, also geeignete mathematische Operationen darauf ausführen, dann bekommen wir Gleichungen, die uns die Batterie beschreiben. Und ich will Ihnen jetzt nicht die ganze Herleitung zeigen, wie man sowas macht.

Aber vielleicht sagt, ich denke bestimmt einigen dazu und dann wird es noch sagen, wenn ich sage, dass es eigentlich hier um Erhaltungsgrößen geht, die wir uns anschauen. Wir wissen, wir haben Teilchen, Ionen oder Atome. Und Atome können nicht verloren gehen, die bleiben da. Wir gucken uns an, wie die sich bewegen können.

Unter der Bedingung, dass sie nicht plötzlich verschwinden. Da gibt es noch sowas wie Impuls. Kennt man vielleicht von Raketenantrieben. Der Impuls ist auch erhalten. Die Energie selbst ist auch erhalten. Und es gibt auch Entropie, das ist sowas wie Wärme.

Und die Wärme in der Batterie ist auch erhalten. Und wenn man diese Erhaltungsgleichungen, die in der Physik ganz grundsätzlich sind, wenn man die benutzt, dann kann man schöne Modellgleichungen herleiten. Und was wir eigentlich machen, ist eine fluid-dynamische Simulation.

Das heißt, wir simulieren, wie die Ionen sich in so einem Elektrolyten bewegen. Und weil das viel zu viele Ionen sind, da sind schnell Milliarden, Milliarden Ionen zwischen zwei Elektroden.

Dann teilen wir die ganze Batterie und kleine Kästen ein. Und zählen immer, wie viele Ionen in diesen Kästen sind. Wir gucken, wie viele Ionen in den Kästen sind. Wir gucken, wie sich dann, wenn man ein bisschen in die Zukunft guckt,

wie sich die Anzahl der Ionen in dem Kasten verändert. Die können sich vor allen Dingen verändern, indem etwas hineinfließt und etwas hinausfließt. Wenn man das dann mit diesen Ableitungen durchzieht,

dann kommt man diese Transportgleichungen, die sagen einem, die sich Konzentration, Ladung, Potenziale verhalten. Das Ganze aufgrund von chemischen Kräften und elektrischen Kräften.

Und diese Gleichungen, die sehen jetzt kompliziert aus, sind es vielleicht auch. Aber die haben tatsächlich ganz konkrete Bedeutung.

Das ist jetzt sozusagen, was ich Ihnen hier präsentiere auf dieser Folie, die Grundlage der Batteriesimulation, wie man Batterien simuliert mit diesen Gleichungen. Das macht man seit 30 Jahren im Prinzip. Und das wird benutzt für sehr, sehr viele Anwendungsfelder. Einmal für die Grundlagenforschung, aber auch für die sehr angewandte Forschung.

Auch bei Mercedes rechnet man mit diesen Gleichungen zum Beispiel. Und trotzdem gibt es ein paar Aspekte, die sind noch nicht eindeutig erkannt. Und das schauen wir uns zum Beispiel an, wie diese Gleichungen aussehen müssen. Und das sind nicht einfach nur Gleichungen, die keine Bedeutung haben,

sondern es gibt tatsächlich hier eine Bedeutung, die man messen kann. Das kann man an folgendem sehen, was wir hier vor kurzem gemacht haben. Und zwar haben wir Kernspin-Experimente gemacht, beziehungsweise unsere Kollegen in Nordrhein-Westfalen machen Experimente mit Kernspins,

um sich Elektrolyte anzuschauen. Man kennt die Kernspintomographie natürlich, und das kann man auch im Labor machen, in der Forschung, um in so einen Elektrolyten reinzuschauen. Und was man da macht, Kernspin sagt schon, es geht um den Kern, den Atomkern.

Man kann also den Atomkern adressieren und messen, was die einzelnen Atomkerne machen. Und damit kann man die Geschwindigkeit der Ionen in dieser Lösung im Elektrolyten messen und von jeder Ionen-Species separat.

Und jetzt haben für eine lange Zeit, wie die meisten Forscher gesagt, was bestimmt, wie diese Ionen sich bewegen, ist dieses M, und M ist die Masse der Ionen.

Wenn man sich das aber anguckt mit diesem hochgenauen Kernspin-Experiment ist, man sieht diese blaue Linie, das ist das, was man erwartet, dass die Geschwindigkeit der Ionen genau gegeben ist durch die Masse der Ionen. Aber man sieht hier die experimentellen Daten und die passen eigentlich nicht zu diesem Trend.

Wir können daraus ableiten, dass sozusagen die lokale Impulserhaltung hier nicht gilt. Aber was anderes macht, wenn man versucht, die Geschwindigkeiten zu erklären aufgrund der Volumen der Ionen.

Jedes Ionen hat nicht nur eine Masse, sondern nimmt ja auch einen bestimmten Raum ein. Wenn man diesen Raum nimmt und hier unten auf diese Achse macht und dann vergleicht, was ist die Erwartung, dieser Strich mit den Messdaten, dann sieht man, das passt ziemlich gut.

Die lokale Volumenmehrhaltung ist, was diese mittlere Geschwindigkeit der Ionen ausmacht, und das ist ein Teil von diesem fundamentalen Gleichungssatz, mit dem wir arbeiten. Das heißt, man kann tatsächlich diese Gleichung benutzen und jeden einzelnen Therma auseinanderpflücken und mit solchen Experimenten dann einzelne Messen wieder ausheben.

So weit zur Universität und jetzt wollte ich Ihnen berichten, was wir in der Forschung machen. Und das ist zum Beispiel das Helmholtz-Institut Ulm hier.

Da haben wir ein paar weniger Formeln vor und mehr die Ergebnisse. Also nehmen wir an, wir haben ja so ein Elektroauto, hat da eine riesen Batterie unten drin

und Sie möchten ja, dass das Elektroauto 20 Jahre fährt. Tut es wahrscheinlich auch, aber man muss sich das genau anschauen. Denn was man sieht, ist, dass wenn man wartet, dieses SOH, State of Health, der Gesundheitszustand der Batterie, der nimmt mit der Zeit ab.

Das ist gar nicht so überraschend und wir wollen verstehen, warum und wie der Gesundheitszustand der Batterie abnimmt. Jetzt kann man hier reinzoomen. Ich hatte Ihnen vorher schon gezeigt, die Batterie besteht aus Filmen.

Ist eigentlich ein Film, den man aufwickeln kann. Und da sind verschiedene Schichten und die Schichten entsprechen den verschiedenen Komponenten. Hier haben wir zum Beispiel die Grafitelektrode, also diese Kohlenstoffelektrode,

die fast wie Lithium Metall ist. Hier haben wir das Lithium Kobaltoxid und hier dazwischen einen Separator, damit sie sich nicht direkt berühren. Wenn man jetzt in das Grafit hineinguckt, jetzt haben wir so weit hineingezoomt, jetzt sehen wir hier schon die Kristallstruktur von dem Grafit,

also einen Nanometer, ganz kleine Strukturen. Und auf der Oberfläche von dem Grafit sehen wir jetzt so eine kleine Schicht. Und diese Schicht ist eigentlich die Magie der Lithium-Ion-Batterie.

Aber diese Schicht ist leider auch der Grund, warum die Batterie alt hat, auch wenn man nichts mit ihr macht. Was ist das für eine Schicht? Was passiert ist, dass dieses Lösungsmittel, wenn man es mit dem Grafit zusammentut, sich sofort versetzt.

Ich habe Ihnen vorhin erzählt, man kann keine wässrigen Elektrolyte benutzen, weil wenn man Lithium in Wasser gibt, dann fängt es sofort an zu regieren und blubbert und so das funktioniert. Und was da blubbert ist, der Elektrolyt, das Wasser, das zersetzt sich.

Und das passiert hier auch mit diesen Elektrolyten, aber das Ganze ist glücklicherweise so eingestellt, dass der Elektrolyt sich zersetzt und hier so eine Dreckschicht bildet. Und die Dreckschicht ist nicht nur Dreck, sondern die schützt auch unsere Elektrode. Wegen dieser Dreckschicht stoppt diese Reaktion oder verlangsamt sich.

Und am Anfang passiert es relativ schnell, aber mit der Zeit wird es immer langsamer, weil diese Dreckschicht sozusagen die Elektrode schützt. Und das passiert in der Standard Lithium-Ionen-Batterie dauernd. Das ist auch der Grund, warum man ganz am Anfang, wenn die Batterie gebaut ist,

die im Unternehmen, im Batteriezellhersteller, der lädt und entlädt diese Batterie ein-, zweimal unter ganz kontrollierten Bedingungen. Und der Grund ist, dass eine ganz schöne Schicht hier aufgebaut werden soll, die möglichst klein ist, aber auch möglichst gut schützt.

Aber nichtsdestotrotz, die wechselt immer weiter und wir wollen jetzt mit Modellen und Simulation verstehen, wie die weiter wächst. Und um das zu verstehen, müssen wir verschiedene Skalen, sagen wir, verschiedene Längen überbrücken.

Auf der einen Seite müssen wir verstehen, was macht die ganze Zelle? Beide Elektroden. Ich habe gesagt, das sind so poröse Elektroden, das sind so kleine Teilchen. Jetzt zum Beispiel so Grafitteilchen hier. Um das Grafitteilchen drum herum ist dann diese SEI, diese Dreckschicht.

Das nennen wir Particle Scale. Dann gibt es noch die Grenzschicht selbst. Die modellieren wir auch und wir modellieren hier die Lithiumatome, die Elektronen durch diese Schicht hindurchkommen.

Dafür gibt es verschiedene Vorschläge, wie das möglich ist, dass Elektronen durch diese Schicht hindurchkommen. Normalerweise sollen Elektronen ja nicht in Elektrolyten fließen.

Aber in dieser SEI schaffen sie es irgendwie durchzukommen und zu setzen dann in Elektrolyten. Und es gab verschiedene Mechanismen, die vorgeschlagen wurden, um zu verstehen, was hier passiert.

Wir haben dann das mit Experimenten verglichen. Diese Kreuze hier sind Experimente und die Kurven sind die Vorhersage der verschiedenen Modelle. Und dann haben wir festgestellt, dass ein spezielles Modell, das nennt sich Lithiumatostitial Diffusion,

ist ein Modell, in dem Elektronen durch diese Dreckschicht, durch diese ganz kleine Schicht hindurchdiffundiert sind, also hindurchschüpfen in kleinen Sprüngen. Das Modell haben wir jetzt mit unseren Partnern in der Automobilindustrie genommen,

die ganz viele Zähne gleichzeitig zirkulisieren können. Und wir haben das Modell validiert. Wir haben geguckt, ob das Modell Realität wiedergibt.

Und man sieht hier, dass diese 62 Zellen, obwohl es da eine gewisse Streuung gibt, sich doch anordnen um diese Gerade in der Mitte, von der wir warten würden, dass die Daten liegen. Die Daten sollten auf dieser Gerade in der Mitte liegen, wenn unser Modell perfekt ist. Und wir sehen, dass unser Modell relativ viel von der Wahrheit abbildet.

Obwohl es nur diesen einen Effekt beinhaltet, der aber sehr, sehr wichtig ist, und dieser Effekt ist diese Bildung von dieser SEI, dieser Dreck- oder Schutzschicht auf der Elektrode.

Und das können wir jetzt übertragen ziemlich direkt auf Autofahrer, was unser Modell da bedeutet. Und das Besondere an unserem Modell ist, dass der Ladezustand der Batterie einen Einfluss hat auf das Wachstum dieser Dreckschicht und damit auch auf die Alterung der Batterie.

Je höher der Ladezustand der Batterie, umso schneller altert die Batterie. Wenn man allein diese Erkenntnis direkt überträgt auf das Auto, dann stellt man Folgendes fest.

Wir haben hier mal drei typische Elektroautofahrer genommen. Hier den Robert. Robert ist range anxious. Der hat Angst, dass er nicht ankommt. Der hat ein Auto gekauft, das kann 400 Kilometer fahren.

Der muss jeden Tag von Tübingen nach Stuttgart pendeln und zurück. Braucht also nur 20 Prozent seiner Reichweite jeden Tag auf. Aber abends schließt er immer wieder an, weil es könnte ja sein, dass er vielleicht mal nicht ankommt.

Das ist range anxious. Dann gibt es den Standard. Das ist dann normal, wie ich vielleicht. Irgendwann wird man ein bisschen faul, macht eigentlich überhaupt nichts. Mit der Batterie, mit dem Elektroauto, wartet bis es fast leer ist, bis das Auto anfängt zu piepen.

Bitte laden, bitte laden. Dann schließt man es an. Also eigentlich das, was wir machen mit unseren Ölautos, mit dem Benzinauto. Dann gibt es doch den Aging Optimizer, den haben wir Alfred genannt. Der ist perfekt. Der weiß, hoher Ladezustand ist bei diesen Batterien nicht so gut.

Der möchte hier den Ladezustand eigentlich nie über 50 Prozent treiben. Heute sehe ich, wenn der Ladezustand runtergeht und wenn es fast vorbei ist, dann lädt er wieder. Wenn man sich das anschaut, was das bedeutet, stellt man fest,

dass Alfred, dieser Alterungsoptimierer, der kann eine sehr viel längere Lebensdauer aus seiner Batterie herausholen als der Range anxious, aber auch als der Standardfahrer. Man sieht das hier. Auf dieser Achse ist die Zeit dargestellt.

Auf dieser Achse die Alterung der Batterie oder wie viel Gesundheitszustand die Batterie noch hat. Man sieht, die gelbe Kurve bleibt ziemlich weit oben. Die ist also deutlich gesünder als die anderen. Also man kann aus diesen Modellen von den Grenzschichten, wo man wirklich mehrmals hineingezoomt hat

und dann nur noch fast schon einzelne Atome sieht, kann man direkt etwas aussagen über die ganze Batterie. Und jetzt zum Abschluss wollte ich Ihnen noch was von der aktuellen Forschung zeigen. Heute möchte man nämlich kein Grafit mehr benutzen, so gerne.

Man möchte eigentlich Grafit ersetzen durch noch höher energetische Materialien, Materialien, die noch mehr Energie speichern können. Das nächste Material, das da möglich ist, wäre Silizium. Silizium kann sehr kompakt speichern, hat aber das Problem, dass das Silizium sich sehr stark ausdehnt, wenn wir Silizium einlagern.

Man nennt hier die graue Kugel, die rote ist zur roten Kugel und wieder zurück. Das heißt, beim Laden dehnt sich das Silizium sehr stark aus und beim Entladen schrumpft es wieder. Und das ist nicht so gut für diese Schutzschicht, diese SIA auf

der Oberfläche, weil die diese große Volumenveränderung nicht so richtig mitmachen kann. Und was machen wir, um das zu modellieren? Wir bauen wieder so eine Energie, die sieht jetzt noch komplizierter aus, weil die Mechanik dieses Ausdehnen und so noch noch detaillierter betrachtet werden muss.

Man bekommt wieder ähnliche Modellgleichung. Und jetzt kann man diesen Zyklus des Ladens, Entladens von diesen Siliziumteilchen mit dieser Schutzschicht obendrauf gut simulieren. Und das simulieren wir und wir sehen, wie diese Schutzschicht obendrauf in jedem Zyklus immer dicker wird und dünner wird und dicker wird.

Das Spannende ist, dass wir damit jetzt auch aktuelle Forschungsfragen adressieren können. Was nämlich passiert ist, in diesem Siliziumteilchen ist die Spannung aufgetragen, also die Spannung, die man aus der Batterie rausbekommt.

Und hier unten der Ladezustand. Man sieht, wenn man die Batterie entlädt, ist man auf dieser unteren Spannung. Wenn man die Batterie wieder lädt, ist man auf der oberen Spannung. Das Besondere hier ist, dass diese beiden Kurven nicht übereinander liegen.

Das sollten sie nämlich nicht. Wenn sie nicht übereinander liegen, dann braucht man deutlich mehr Spannung, um die Batterie wieder aufzuladen, als beim Entladen. Das heißt, man hat ja einen Energieverlust und für die Automobilersteller ist das ein Problem, weil da Wärme erzeugt wird. Das ist vor allen Dingen im Laden, da wird sehr viel Wärme erzeugt und deshalb muss man Kühlsysteme bauen.

Wenn wir jetzt aber unser Modell mit dieser Schutzschicht benutzen, dann können wir das simulieren und können hier aufgrund der mechanischen Effekte in der SI und im Teilchen verstehen, warum hier diese Differenzen auftreten.

Wir können das in verschiedenen Zuständen der Batterie machen und können im Prinzip woher das kommt, nämlich von dem Druck, den diese Schutzschicht auf das Teilchen ausübt.

Hier möchte ich Ihnen Abschied noch mal einen Überblick geben, damit Sie ein Gefühl dafür haben, was man alles beachten muss, wenn man simuliert oder an welchen Aspekten man simuliert. Wir fangen an bei den eigentlichen Reaktionen. Wir sind da wenige Nanometer groß.

Gucken wir uns diese Schutzschichten an, die sind schon 100 Nanometer groß. Auf Lito-Metallelektroden, da wachsen so Nadeln, die sind einen Mykometer groß. Dann gucken wir uns die ganzen Zellen an, in einer Dimension und auch in 3D, das heißt ganz echte Zellen.

Und da haben wir dann diese 100 Mykometer großen Einheiten, so wie eine Zelle. Das Ganze kombinieren wir dann mit maschinellem Lernen, vor allen Dingen um Batteriemanagementsystemen immer noch besser zu machen.

Jetzt fehlt hier oben der erste Teil, und das ist auch ein ganz wichtiger Teil, ist die Quantenchemie. Die Reaktionen funktionieren nämlich, indem die Elektronen, die um die Atome drum herum sind, miteinander wechselwirken. Und das sind Prozesse, die man nur relativ schwierig und nur mit Näherungen auf normalen Computern abbilden kann.

Und wenn man da Quantencomputer hätte und das auf Quantencomputern ausrechnen könnte, dann würde man an dieser Stelle noch deutlich vorankommen. Mit diesem Überblick danke ich mich für Ihre Aufmerksamkeit.